箍筋約束條件下銹蝕變形鋼筋與混凝土黏結性能的研究

曲福來, 陳永升, 楊子龍, 李長永, 趙順波

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450045; 2.河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室,河南 鄭州 450045; 3.華北水利水電大學 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046)

鋼筋與混凝土之間良好的黏結錨固性能是兩者共同工作的基礎。變形鋼筋與混凝土的黏結力主要由化學膠著力、摩擦力和機械咬合力3部分組成,其中橫肋與混凝土之間的機械咬合力起到主要作用[1-2]。鋼筋發(fā)生銹蝕后不但會影響其與混凝土的黏結性能,還會影響構件或結構的受力性能[3]。

無箍筋中心拉拔試驗研究表明[4-6]:銹蝕率較小的變形鋼筋與混凝土的黏結強度較高,銹蝕率增大時鋼筋與混凝土的黏結強度迅速下降?？紤]到實際混凝土結構中配置有箍筋,對箍筋約束下鋼筋與混凝土之間黏結性能的研究結果表明[7-9]:箍筋的約束作用可以在一定程度上提高混凝土的黏結強度,但提高作用較小;而箍筋作用區(qū)域內對混凝土的約束作用延緩了其縱向裂縫的產生,對改善試件的黏結延性有很大幫助。

鋼筋發(fā)生銹蝕后,由于銹蝕產物體積膨脹,致使箍筋的約束作用增強,對黏結性能的影響趨于復雜化。FANG C Q等[10]開展了有、無箍筋情況下銹蝕鋼筋與混凝土的黏結性能研究,發(fā)現(xiàn)有箍筋試件在鋼筋銹蝕率低于8%時,混凝土的黏結強度無明顯變化,這與無箍筋試件的黏結強度急劇下降差異顯著。TONDOLO E[11]的中心拉拔試驗結果表明:當鋼筋銹蝕率增大到20%時,混凝土的黏結強度提高,比鋼筋未銹蝕試件的黏結強度提高了約40%。文獻[12]的梁式黏結試驗結果表現(xiàn)出不同的規(guī)律,即混凝土的黏結強度隨著鋼筋銹蝕率的增加逐漸減小。

目前,銹蝕率對鋼筋與混凝土之間的黏結性能的影響規(guī)律尚未統(tǒng)一,已有試驗研究的鋼筋銹蝕率范圍也有限。本文采用帶箍筋的中心拉拔試件研究混凝土強度和鋼筋銹蝕率對鋼筋與混凝土間黏結性能的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

為考慮混凝土強度對其黏結性能的影響,本試驗設計了C15～C50共8種強度等級的混凝土,每種混凝土分別與4種銹蝕率的鋼筋(包含未銹蝕情況)進行組合,共制作32組96個鋼筋與混凝土黏結試件(簡稱為黏結試件)。黏結試件為邊長200 mm的立方體,中心配置直徑16 mm的HRB500級鋼筋,實測鋼筋的屈服強度和極限強度分別為577 MPa和724 MPa,黏結長度取80 mm,非黏結段鋼筋用PVC套管包裹以消除加載端應力集中的影響。在試件中配置了2道間距為100 mm的矩形箍筋(直徑6 mm光圓鋼筋),黏結試件的配筋及尺寸如圖1所示。

1—混凝土;2—主筋;3—箍筋;4—PVC套管

混凝土制備采用強度等級分別為P·O 32.5和42.5水泥,天然中砂細度模數為2.91、表觀密度為2 578 kg/m3、堆積密度為1 440 kg/m3,連續(xù)級配碎石的最大粒徑為20 mm、堆積密度為1 580 kg/m3。在澆筑黏結試件時,澆筑尺寸為150 mm的混凝土立方體伴隨試件,用于測定混凝土的立方體抗壓強度fcu和劈裂抗拉強度fts,實測結果見表1。

表1 混凝土的配合比和實測強度

1.2 鋼筋銹蝕試驗

采用電化學方法對黏結試件的主筋進行通電加速銹蝕[13],為了得到與實際環(huán)境接近的銹蝕產物,電流密度控制為0.25 mA/cm2。在通電過程中發(fā)現(xiàn)不銹鋼棒表面有細小的氣泡冒出,溶液逐漸變成黃褐色;隨著銹蝕的進行,混凝土試塊表面出現(xiàn)細小的順筋裂縫,該裂縫寬度逐漸變大,同時在混凝土表面產生新的裂縫,如圖2所示,在距離液面2 cm左右的混凝土表面出現(xiàn)一圈白色晶體,即出現(xiàn)局部“鹽析”現(xiàn)象。

圖2 不同鋼筋銹蝕率下試件的銹脹裂縫

試驗中對比各組試件的銹蝕過程發(fā)現(xiàn),鋼筋銹蝕程度隨混凝土基體強度的提高而減輕,試件開裂時間隨混凝土強度的提高有所延緩。這主要是隨著混凝土強度的提高其密實度有所提高,電解質溶液在混凝土內部孔隙中的遷移和擴散速度降低。相同條件下,混凝土基體強度越低,因鋼筋銹蝕膨脹所形成的混凝土裂縫數量越多,裂縫的發(fā)展也越快。

1.3 拉拔試驗

采用中心拉拔試驗得到鋼筋與混凝土的黏結-滑移曲線,在鋼筋加載端布置1個荷載傳感器用來測量鋼筋與混凝土間的黏結力;在鋼筋自由端布置3個位移計,分別測量鋼筋和混凝土的位移[14],通過換算得到自由端鋼筋相對于混凝土的滑移量,所有試驗數據通過靜態(tài)應變測試系統(tǒng)自動采集。拉拔試驗加載時控制加載速度,以7 kN/min的速度緩慢加載,直到鋼筋拔出20 mm后停止試驗。

1.4 鋼筋銹蝕率測試

拉拔試驗完成后,將鋼筋取出進行銹蝕率的測定。具體步驟為:截取黏結段長度的鋼筋,測量其長度;清除鋼筋表面的鐵銹,用濃度為10%的鹽酸溶液進行清洗;用石灰水進行中和,并用清水洗凈;將鋼筋放入烘箱烘干,稱取鋼筋質量。鋼筋的銹蝕率按下式計算:

(1)

式中:ρ為鋼筋銹蝕率;M0為初始鋼筋質量;M1為銹蝕后鋼筋質量。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態(tài)

圖3展示了拉拔試驗中出現(xiàn)的3種試件破壞形態(tài):鋼筋拔出破壞、劈裂拔出破壞和鋼筋拉斷破壞。

圖3 試件的破壞形態(tài)

由于箍筋的約束作用,大多數試件發(fā)生鋼筋拔出破壞時,混凝土試件表面無裂縫或無新裂縫出現(xiàn),鋼筋與混凝土發(fā)生相對滑移,如圖3(a)所示。個別試件發(fā)生了劈裂拔出破壞,在加載過程中試件產生順筋方向的貫穿裂縫,如圖3(b)所示,由于箍筋的約束作用,黏結試件混凝土與鋼筋沒有分離開,相比于鋼筋拔出破壞,劈裂拔出破壞出現(xiàn)貫穿裂縫比較突然,試件承受的荷載存在一個陡降的過程。第三種破壞形式為鋼筋拉斷破壞,按鋼筋拉斷位置不同分2種情況:一種發(fā)生在基體混凝土強度高的試件中,由于箍筋的約束作用,鋼筋發(fā)生銹蝕后混凝土的黏結強度大幅度提高,鋼筋在加載端被拉斷,此時試件的黏結強度高于鋼筋的極限強度,為非正常破壞;另一種發(fā)生在黏結端鋼筋局部銹蝕較為嚴重的試件中,鋼筋拉斷位置在試件內部,如圖3(c)所示。

2.2 黏結-滑移曲線

通過拉拔試驗得到箍筋約束下銹蝕變形鋼筋與混凝土間的黏結應力與滑移量的關系曲線,圖4所示為具有代表性的幾條曲線,橫坐標s表示鋼筋在自由端的滑移量,縱坐標黏結應力τ按下式計算:

圖4 不同鋼筋銹蝕率、混凝土強度等級時鋼筋的黏結-滑移曲線

(2)

式中:F為黏結力;d為鋼筋直徑;la為鋼筋黏結長度。

圖4中:除圖4(b)和(h)中鋼筋銹蝕率分別為4.29%和2.17%的試件發(fā)生了劈裂拔出破壞,其余試件為鋼筋拔出破壞;發(fā)生鋼筋拔出破壞的試件的黏結-滑移曲線具有完整的微滑移段、滑移段、下降段和殘余段,這與無箍筋中心拉拔試件的脆性破壞有明顯的差別;橫向箍筋的存在延緩和限制了混凝土劈裂裂縫的發(fā)展,試件具有較好的黏結延性;未銹蝕變形鋼筋混凝土試件的黏結-滑移曲線在達到最大黏結應力(即黏結強度)時對應的滑移量較大,本試驗統(tǒng)計出各組試件在達到黏結強度時滑移量為1.5～2.2 mm,隨著基體混凝土強度的增加,黏結強度對應的滑移量變小;變形鋼筋發(fā)生銹蝕后,在15%銹蝕率范圍內黏結強度對應的滑移量有下降的趨勢,降低到0.5 mm左右。

2.3 黏結強度變化規(guī)律

已有研究表明:變形鋼筋與混凝土間的黏結強度受混凝土強度等級的影響,較為常見的是黏結強度與混凝土立方體抗壓強度的二次方根[9,15]或劈裂抗拉強度相關[16]。通過比較本試驗箍筋約束未銹蝕鋼筋試件黏結強度τu與混凝土強度的關系,發(fā)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的黏結強度與混凝土的劈裂抗拉強度fts的相關性更強,如圖5所示。由圖5可看出:混凝土的劈裂抗拉強度從1.87 N/mm2增加到3.57 N/mm2時,相應的黏結強度從9.0 N/mm2增加到24.4 N/mm2,有很大幅度提高。

圖5 鋼筋未銹試件的fts與τu關系

為分析鋼筋的銹蝕率對其與混凝土黏結強度的影響,采用圖6所示的坐標系,圖中橫坐標為實測鋼筋銹蝕率,縱坐標采用黏結強度與混凝土劈裂抗拉強度的比值,以消除混凝土強度的影響。通過回歸分析得到箍筋約束鋼筋與混凝土黏結強度τu的表達式為:

圖6 鋼筋銹蝕率對混凝土黏結強度的影響

τu=(5.894+0.349 5ρ-0.012 3ρ2)fts。

(3)

通過試驗數據擬合曲線可以發(fā)現(xiàn):隨鋼筋銹蝕率的增加,混凝土的黏結強度總體表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律;當鋼筋銹蝕率為14%左右時,混凝土的黏結強度達到最大;鋼筋銹蝕率超過28%時,混凝土的黏結強度低于鋼筋未銹蝕混凝土的黏結強度。由于箍筋的橫向約束作用,銹蝕鋼筋與混凝土之間的擠壓力有一定程度提高,這有利于提高混凝土的黏結強度。當鋼筋銹蝕率為5%時,混凝土的黏結強度較鋼筋未銹蝕試件的提高了43%。當鋼筋銹蝕比較嚴重時,鋼筋表面的縱橫肋逐漸消失,鋼筋與混凝土間的機械咬合力減小,混凝土的黏結強度開始降低。由于箍筋的約束作用,混凝土的黏結強度先增后降的轉折點對應的鋼筋銹蝕率有大幅度的提高,鋼筋銹蝕率較大時,混凝土的黏結強度降低較少。由此可見,當鋼筋銹蝕率在一定范圍內時,箍筋對混凝土的黏結強度的提高作用明顯。

3 結論

1)由于箍筋的約束作用,大部分試件發(fā)生鋼筋拔出破壞,其黏結-滑移曲線有明顯的下降段和殘余段。鋼筋未銹蝕試件發(fā)生滑移時的滑移值為1.5～2.2 mm,混凝土強度越高,滑移值越小;隨著鋼筋銹蝕率的增加,滑移值有明顯的減小趨勢。

2)鋼筋銹蝕率受混凝土強度等級影響,強度高的混凝土試件中鋼筋銹蝕輕?；炷恋酿そY強度與劈裂抗拉強度具有很好的相關性,當混凝土的劈裂抗拉強度從1.87 N/mm2增加到3.57 N/mm2時,其極限黏結強度成倍增加。

3)鋼筋銹蝕率對混凝土的黏結強度具有顯著影響,隨鋼筋銹蝕率的增加,混凝土的黏結強度呈先增后降趨勢。箍筋的存在影響了銹蝕鋼筋與混凝土間黏結強度的變化規(guī)律,在鋼筋銹蝕率為5%時,混凝土的黏結強度顯著提高;當鋼筋銹蝕率超過28%時,混凝土的黏結強度低于鋼筋未銹蝕試件的。